Temperatur-Fernüberwachung der Produktion in Bienenstöcken

Die Herausforderung

Die Überwachung stellt in allen Bereichen der automatisierten Fertigung eine Notwendigkeit dar. Das Wissen darum, was in einem Prozess vor sich geht, ist erforderlich, damit die Bediener in Echtzeit fundierte Entscheidungen treffen können. Die Anzahl unterschiedlicher Prozesse und Prozessarten ist schier unendlich. Von einer CNC-Metallschneidemaschine über einen Aushärtungsofen in einer Lackierstraße bis hin zur Honigproduktion in einem Bienenstock.

Moment, ein Bienenstock? Ja, die summenden, fleißigen Bienen produzieren ein leckeres und nahrhaftes Produkt, das täglich von Millionen Menschen konsumiert wird: Honig. Darüber hinaus wird das Wachs ihrer Waben für die Herstellung aller möglichen Produkte verwendet, darunter Kerzen, Seifen und Reinigungsmittel. Am wichtigsten ist aber vielleicht, dass Honigbienen die meisten Blütenpflanzen bestäuben, und damit die Erzeugung vieler Früchte, Nüsse und Gemüse, die wir täglich essen, erst ermöglichen.

Zudem sind sie für die Bestäubung der Pflanzen verantwortlich, die zur Fütterung von Rindern verwendet werden, und tragen damit direkt zur Milch- und Fleischproduktion bei. Auf ihren winzigen Schultern liegt also die Verantwortung für eine Nahrungsmittelproduktion im Milliardenwert und die Ernährung der Welt.

Eine kleine Zahl von Erwerbsimkern verwaltet Hunderte oder gar Tausende von Bienenvölkern und sorgt so für die Bestäubung großer Landstriche und die Massenproduktion von Honig. Ähnlich wie Landwirte die Fruchtfolge einsetzen, können Imker ihre Bienenstöcke so platzieren, dass sich bestimmte Bienenvölker auf die Bestäubung und andere auf die Honigproduktion konzentrieren. Honigbienen gelten als domestiziert, weil sie die Haltung durch den Menschen akzeptieren.

Eine wettergeschützte Anlage mit einem oder mehreren von Menschen geführten Bienenstöcken wird als Apiarium (von lat. apis = Honigbiene) oder Bienenhaus bezeichnet.

Während die großen kommerziellen Unternehmen den Ruhm ernten, wird die Bienenzucht in Amerika überwiegend von privaten Hobbyimkern betrieben, die zwischen einem und 25 Bienenvölker halten. In den Vereinigten Staaten gibt es schätzungsweise 100.000 Hobby-Imker, und ihre Zahl wächst. Weltweit gibt es Millionen von privaten Bienenstöcken.

Unabhängig von der Größe des Bienenhauses erfordert die Erhaltung produktiver Bienenvölker eine ständige Überwachung ihrer Umgebung. Honigbienen wurden im 18. Jahrhundert aus Europa importiert und sind in Nordamerika und somit auch in den eiskalten Wintern des Mittleren Westens der USA eigentlich nicht heimisch.

Kürzlich wandte sich ein Hobby-Imker aus Nord-Ohio an Dewesoft und bat um Hilfe bei der Überwachung des Temperaturbereichs und der Luftfeuchtigkeit in seinem Bienenhaus und den 12 einzelnen Bienenstöcken. Die Anwendungstechniker von Dewesoft traten sofort in Aktion, um zu helfen.   

Honigbienen sind empfindliche Lebewesen, die bestimmte Bedingungen benötigen, um Honig zu produzieren. Sie leben und arbeiten am besten bei Temperaturen zwischen 28 °C und 32 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50 % bis 60 %. Die Überwachung der Bedingungen in den Bienenstöcken ist daher von entscheidender Bedeutung, um im Sommer die bestmögliche Honigernte zu erzielen und die Bienen gesund zu halten. Kalte Bienenstöcke können auf mangelnde Aktivität hindeuten, während ein heißer Bienenstock ein Zeichen für eine schlechte Belüftung oder ein ernsteres Problem wie eine Wespeninvasion sein kann. 

Kommerzielle Bienenfarmen verwenden oft künstliche Bienenstöcke, was die Überwachung der Umgebung sogar noch wichtiger macht. Es ist Aufgabe des Imkers, ein ideales Umfeld für seine winzigen Arbeiterinnen zu schaffen und sofort auf Veränderungen zu reagieren. Da Informationen dabei eine entscheidende Rolle spielen, werden diese von den Imkern über lange Zeiträume überwacht und dokumentiert. So können sie Trends erkennen und die Bedingungen im Bienenstock kontinuierlich anpassen, um eine optimale Bienengesundheit und Honigproduktion zu gewährleisten.

Nach Prüfung der Situation installierte Dewesoft ein System, das ein KRYPTON-Temperaturmodul mit 16 Eingängen, zwei Wetterstationen für Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit, einen Industriecomputer und zwei miteinander verknüpfte Softwareanwendungen umfasste. Mit dieser Hard- und Software konnte problemlos ein drahtloses Temperaturüberwachungssystem mit Echtzeitwarnungen eingerichtet werden.

Die Datenerfassungshardware

KRYPTON 16xTH ist ein ultra-robustes Datenerfassungsmodul mit 16 Temperatureingangskanälen. In jedem der 12 Bienenstöcke wurde ein 15 cm langer Thermoelement-Temperatursensor vom Typ T installiert und über einen entsprechenden Thermoelementdraht mit dem KRYPTON-Modul verbunden. 

Die Wahl fiel auf das KRYPTON-Modul, weil es einen sehr umfangreichen Betriebstemperaturbereich (-40 °C bis 85 °C) verfügt. Die Schutzart IP67 bedeutet, dass es außerdem gegen das Eindringen von Flüssigkeiten, Rauch und Staub geschützt ist. 

Das KRYPTON-Modul wird über ein einziges EtherCAT-Kabel für Stromversorgung, Zeitmessung und Datenübertragung mit dem Datenerfassungscomputer verbunden, auf dem die DAQ-Software DewesoftX läuft.

Zwei Modbus-TCP-Wetterstationen der Marke DataNab liefern zusätzlich Informationen zur Umgebungstemperatur und relativen Luftfeuchtigkeit. Sie dienen dabei nicht nur der Echtzeitüberwachung, sondern senden ihre Daten auch über TCP an den Datenerfassungscomputer. Wie oben gezeigt, befand sich eine der beiden Stationen im Inneren des Bienenhauses, während die andere draußen im Freien installiert war.

Mit diesem Setup ließen sich die Temperaturdaten in den einzelnen Bienenstöcken sowie die Umgebungstemperatur- und Luftfeuchtigkeitsdaten an zwei Stellen innerhalb der Anlage ständig überwachen. Aber muss der Imker im Winter durch den Schnee stapfen, um die Daten zu überprüfen? Finden wir es heraus.

Die Software

Wie bereits erwähnt, läuft die Datenerfassungssoftware DewesoftX auf einem DAQ-Computer innerhalb des Bienenhauses und liest direkt die Ausgangssignale des KRYPTON-Moduls und der Wetterstationen. DewesoftX ist eine multifunktionale Datenerfassungsanwendung, die grafische Anzeigen und eine flexible Speicherung von Hoch- und Niedriggeschwindigkeitsdaten auf Festplatte bietet.
Da das Ziel darin bestand, das Bienenhaus aus der Ferne zu überwachen, richtete Dewesoft auch ihre Historian-Software ein. Historian wird für die verteilte Fernüberwachung beliebiger Prozesse an jedem Ort der Welt eingesetzt. Es handelt sich um eine Datenbanksoftware, die für langfristige und permanente  Überwachungsanwendungen entwickelt wurde und dabei Daten in eine Open-Source-Zeitreihendatenbank von InfluxData schreibt.

DewesoftX streamt die Daten in Echtzeit über das Machine-to-Machine-Netzwerkprotokoll MQTT an Historian. MQTT ist ideal für den Aufbau zuverlässiger Fernverbindungen selbst bei begrenzter Bandbreite im Netzwerk. 

Parameter wie Schwingung, Temperatur, Neigung, Dehnung, Druck usw. können in einem selbst gehosteten oder vollständig in der Cloud verwalteten Dienst gespeichert werden. Messeinheiten, Datenbanken und View Clients kommunizieren im Historian-Systems von Dewesoft über das MQTT-Protokoll. Jede Komponente kann auf einem PC, einem Smartphone oder einem Tablet an einem beliebigen Ort mit Internetzugang laufen. 

Ein Computer, Smartphone oder Tablet, der oder das zur Fernüberwachung der Daten verwendet wird, benötigt keine spezielle Software. Der Zugriff erfolgt immer über einen Webbrowser. Hier können Sie den Live-Stream einer Historian-Anwendung beobachten. 

Zusätzlich zu herkömmlicher Dewesoft-Datenerfassungshardware, die ihre Daten zur Verarbeitung an die DewesoftX-Software übermittelt, können IdD-Geräte („Internet der Dinge“) wie NEMOSENSE Signale direkt an den Server senden, während sie gleichzeitig intern Langzeitdaten speichern. 

NEMOSENSE kombiniert ein Gerät zur Schwingungsdatenerfassung, einen Datenlogger und einen rauscharmen triaxialen MEMS-Beschleunigungssensor. Es ist für die permanente Installation zur Zustandsüberwachung von Brücken, Gebäuden, Antennen und ja, sogar Bienenstöcken konzipiert. Die Datenerfassung kann mit reduzierter Geschwindigkeit erfolgen, so dass die Datensätze Monate oder sogar Jahre umfassen können. 

Das Historian-Paket umfasst auch Grafana, eine plattformübergreifende, webbasierte Open-Source-Visualisierungsanwendung. Grafana bietet Diagramme, Grafiken und Warnungen, auf die per Smartphone, Tablet oder Computer von überall zugegriffen werden kann. Grafana lässt sich sogar so konfigurieren, dass Benachrichtigungen per E-Mail verschickt werden, sobald eine Alarmbedingung erfüllt ist, so dass der Imker schon bei den ersten Anzeichen eines Problems benachrichtigt wird.

Für die Implementierung von Historian braucht man lediglich das Softwarepaket auf einen Windows- oder LINUX-Computer oder einen Cloud-Dienst wie Amazon Web Services (AWS) oder Microsoft Azure herunterzuladen. Mithilfe der auf der Dewesoft-Website zur Verfügung stehenden Anleitung lässt sich eine einfache Historian-Konfiguration in weniger als einer Stunde einrichten.

Fazit

Die Kombination der modularen Datenerfassungssysteme von Dewesoft mit Historian bietet eine leistungsstarke Lösung für die langfristige Zustandsüberwachung in zahllosen Anwendungen und Branchen. 

Diese Hardware-Software-Kombination wurde speziell für das Zusammenspiel entwickelt und ist einfach zu konfigurieren und zu bedienen. Ganz gleich, ob Sie ein Stahlwerk betreiben, ein Wasserkraftwerk überwachen oder sicherstellen wollen, dass Ihre Honigbienen den Winter in Ohio überleben – die Datenerfassungssysteme von Dewesoft bieten eine leistungsstarke und dennoch benutzerfreundliche Lösung.